土工合成材料的发展历史
土工合成材料在路基加固中的运用与技术探讨
土工合成材料在路基加固中的运用与技术探讨1土工合成材料的发展与类别1.1土工合成材料的发展史土工合成材料是通过合成纤维、塑料、合成橡胶和其他聚合物经过加工制造而成的新型材料。
它现在被广泛运用于特殊地基处理中。
土工合成材料是工业发展和建筑需求的产物，始于20世纪50年代。
第一个项目是在水利工程中使用塑料薄膜代替防水材料。
到20世纪50年代末，开始用于海防项目。
20世纪70年代末，土工合成材料在促进非线性材料方面发展迅速，在地质工程领域发挥着重要作用。
在1977年的法国巴黎第一届俄罗斯民间社会会议上，JPGroud称它为“土工布”，并于1986年在维也纳举行的第三届国际土工合成会议上举办。
它被称为“工程革命地质”。
从20世纪60年代中期到70年代末，中国开始利用纺织物，对洪水闸门和洪水进行治理和处理，可谓是第一阶段发展；从20世纪80年代初到80年代中期，土工合成材料在我国水利，铁路，公路，军工，港口，建筑，矿山，冶金，电力等领域逐渐普及这也到了中期发展阶段；20世纪90年代以后，特别是1998年的洪水之后，土工合成材料在国家重要部门的直接关注下又迈出了新的一步。
大规模生产土工合成材料的材料已经出现。
各种工业标准和国家标准相互引入，制作几何材料。
随之而来的是法规的应用，并进入了生态学逐渐成熟的阶段。
1.2土工合成材料原料和类别土工合成材料制成的合成纤维。
由煤，石油和天然气制成的合成纤维的原料。
它们已经成为一个化学过程例如高分子聚合物，然后加工成纤维，带网格，和薄膜。
土工合成材料有着广泛的不同种类的产品。
原料，制造方法和使用各种类型的土工合成材料的列于表1中。
表1土工合成材料的制造方法及用途汇总表序号分类制作方法主要用途 1 编制型土工纤维以单股丝或多股丝经纬线交织，有平纹、斜纹排水、反滤、防护、加筋、隔离等2 无纺型土工纤维热粘法、化学粘法3 条带织物以带状条大孔眼制造加筋强化4 土工网垫以粗硬纤维丝在交点处粘接排水、反滤5 土工格栅以聚丙烯或聚乙烯单向或双向拉伸扩展，孔径1~10mm 加筋强化6 土工薄膜以塑料、橡胶或土工纤维加强防水涂料制成防水、防渗、封闭7 土工复合材料以上分类的组合2土工合成材料的特性土工合成材料的优点是重量轻，整体连续性好，根据需要长度从几百米到几千米不等，结构简单，抗拉强度高，耐腐蚀性好，抗菌抗腐蚀性。
土工合成材料讲解
二、土工合成材料的种类、功能及特性
2.1 土工合成材料的聚合物（原材料）
名称
特性
聚乙烯（PE） 良好柔软性、延展性、透明性、耐寒性、加工性
聚丙烯（PP） 耐热性、化学稳定性、电绝缘性好，耐光性、韧性差
聚氯乙烯（PVC）较高强度，耐磨、阻燃，热稳定性差，易老化
聚酯（PET） 热塑性塑料中强韧性最好，透光率好，耐酸不耐碱，
土工合成材料在我国情况
应用始于20世纪60年代 土工织物从1976年用于护岸、防汛抢险及提防等 工程 1995年，“中国土工合成材料工程协会”成立 2002年，我国土工合成材料应用工作者获得国际 土工合成材料学会（IGS）颁发的专门奖项 1998年，我国暴发特大洪水，土工合成材料在抗 洪中起到很好作用。中央领导高度重视，这促进 了土工合成材料的正规化和普及化
保护层 （护面层和垫层）：保护土工膜不破坏，一般有
素土、砂砾石，预制或现浇混凝土板 ，干砌石等
支持层：使土工膜受力和变形均匀
复合土工膜
是一种以土工膜为主体，同时在其一侧或两侧粘有无纺织 物、有纺织物或加筋材料等土工材料等的复合土工材料。 其功能较多，发展潜力较大。 由于布加筋的作用，使复合膜既具有布的特点又具有膜的 特点，抗胀破、撕裂、刺破能力大大加强。 设计时优先考虑膜的变形率和布的强度。 复合膜生产宽度有限，大幅使用时，搭接缝的防渗与强度 特性不容忽视。
它排水性能良好、质量轻、施工方便、对土的扰动小、造 价低廉、工效高。 它一出现便迅速被推广使用，现我国排水带年用量达到近 亿延米（赵维炳，2006）。 应用：提高软地基的承载力与稳定性 减少建筑基础的沉降
⑴可测深的排水带：“数字式”、“铜丝式” ⑵整体式排水带。 ⑶排水加固工程的发展。
第12章 土工合成材料
第一节
土工聚合物
三、土工聚合物的性能和优缺点（特性指标） （一） 土工聚合物的性能 土工聚合物产品因制造方法和用途不一，选用时宽度和重量的变 形甚大。其宽度为1m～18m；质量从0.1kg/ ～1.0kg/ 或更大 ；开孔尺寸（等效孔径）也不相同，无纺型土工织物为0.05mm ～0.5mm，编织型0.1mm～1.0mm，土工垫为5mm～10mm ，土工格栅及土工网为5mm～l00mm。导水性也有差异，大部 分编织与热粘型无纺土工聚合物很小，而土工塑料排水带为104m2/s～10-1m2/s。抗拉强度：大部分常用的无纺型土工织物为 10kN/m～30kN/m（高强度的为30kN/m～100kN/m）；最常 用的编织型土工织物为20kN/m～50kN/m（高强度的为 50kN/m～100kN/m）；土工格栅30kN/m～200kN/m（高强 度的为200kN/m～400kN/m）。不同类型的土工织物的拉应力 和拉应变关系变化差异很大。 土工聚合物的性能与其使用195
（三） 编织型土工织物（Knitted Geotextile） 这种土工织物由单股或多股线带编织而成，与通常编制的毛衣相似。 （四） 组合型土工织物（Composite Geotextile） 由前三类组合而成的土工织物。 （五） 土工膜 （Geomembranes） 在各种塑料、橡胶或土工纤维上喷涂防水材料而制成的各种不透水膜。 （六） 土工垫（Geomat） 由粗硬的纤维丝粘接而成。 （七） 土工格栅（Geogrid） 由聚乙烯或聚丙烯板通过单向或双向拉伸扩孔制成（图6-22），孔格尺寸为l0mm～ lOOmm的圆形、椭圆形、方形或长方形。 （八） 土工网（Geonet） 由挤出的lmm～5mm塑料股线制成。 （九） 土工塑料排水板 为一种复合型土工聚合物，由芯板和透水滤布两部分组成。滤布包裹在芯板外面，在其间 形成纵向排水沟槽。 （十） 土工复合材料 由两种或两种以上土工产品组成的复合材料，如土工塑料排水带。
土工合成材料的发展历史
古代的原始土工材料据科学考证，数千年前人类就利用芦苇加筋黏土建造房屋，三千多年前，英国人曾在沼泽地带用木排修筑道路。
在我国，远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。
在河南发现的仰韶遗址距今五六千年，有很多简陋住室的墙壁和屋顶就是利用草泥修筑的。
公元前2000～公元前1000年，古巴比伦人曾把织物纤维掺在土中建造庙宇。
实际上，在独立于人类文明的自然界，许多鸟类和昆虫都本能地利用非土材料(草与树枝等)加固泥土巢穴；树木依靠庞大的根系吸收养料水分，同时也加固了赖以立足的地基。
这些都是"以非土材料加固土体"原理的自然体现。
现代的土工合成材料在现代，1930年美国北卡罗来纳州首次使用棉纺织品加固路基土。
在第二次世界大战中，英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，供装甲车通行；荷兰曾大量利用柳枝、梢料加固堤坝，防止冲刷。
合成纤维自1913年在欧洲问世以来，至今已有百年历史，但合成材料用于土木工程却开始于20世纪50年代末。
当时，美国人R．J．Barrett在佛罗里达州首次将透水性合成纤维有纺织物铺设在护岸混凝土块下，作为防冲刷保护层，因而他被称为"土工织物之父"。
1957年荷兰首先用尼龙纤维有纺织物制成充砂管袋，应用于护岸防冲和堵口工程。
1958年在美国佛罗里达州大西洋海岸防护工程中，聚氯乙烯有纺织物被置于土与石块之间，作为海岸防冲刷。
经过27年的观察，其状态仍然良好。
1985年，前联邦德国采用合成纤维制成有纺织物砂袋，修筑防波堤。
1959年在日本伊势湾海岸，海堤和围堤因台风遭到灾难性破坏。
在海岸修复工程中，利用有纺织物砂袋和合成材料片成功地修建了堤防；在修复围堤沉排工程时，采用维纶编织布成功代替沉排。
5年后检查，未发现腐蚀现象，强度几乎没有下降。
1960年荷兰采用尼龙有纺织物充砂垫层，防止海岸淘刷。
1962年美国杜邦公司开发纺粘法长纤维无纺布，以取代短纤维无纺布。
土工合成材料在我国的应用和发展
土工合成材料在我国的应用和发展土工合成材料，又称“土工布”、“土工织物”，它是以合成纤维、塑料、合成橡胶等为原料制成的不同种类产品，使用过程中具有分离、加固、排水、过滤、防护、防渗六大基本功能。
国外在三十年代就开始了使用，迄今其产品从单一纺织品发展到其它合成材料及其复合材料。
现在土工合成材料已被称作与钢材、水泥、木材齐名的"第四种工程材料"，并广泛的应用于岩土、水利及土木工程等领域中。
1 土工合成材料的种类及应用土工合成材料种类很多，一般按功能及生产方法分为四大类，即土工织物、土工膜、土工复合材料、土工特种材料。
下面概述几种土工合成材料的特点及应用。
1.1 机织土工布是我国使用最早的一种土工布。
现我国使用较多的机织布材料有长丝机织布和扁丝机织布两种，材料以聚丙烯为主，单位重量一般为100～300克/平方米。
它的应用以制作反滤布的土工模袋为多。
机织土工布具有强度高、延伸率低的特点，广泛使用在水利工程中，用做防汛抢险、土坡地基加固、坝体加筋、各种防冲工程及堤坝的软基处理等。
其缺点是过滤性和水平渗透性差，孔隙易变形，孔隙率低，最小孔径在0.05～0.08mm，难以阻隔＜0.05mm 以下的微细土壤颗粒；当机织布局部破损或纤维断裂时，易造成纱线绽开或脱落，出现的孔洞难以补救，因而应用受到一定的限制。
1.2 经编土工布用经编机生产经编土工布的方法较少单独采用，经常与其他方法联合使用，如将经编布与非织造布交织形成纤网型缝编土工布，也可与纸带一起编织成可降解的经编土工布。
经编土工布主要应用于排水沟、水坝或烟筒过滤，无中间层的海岸保护，阻截自流水压，加固垂直地面、倾斜面和堤岸基层等。
1.3 非织造土工布非织造土工布的出现比织造土工布晚，其生产方法主要有纺粘法和针刺法两种，其中针刺法在我国所占比例较大。
采用的原料以涤纶为主，其次是丙纶和维纶，单位重量为100～800克/平方米。
非织造土工布具有较大的延伸率，能适应较大的变形，可以根据需要制成适当大小的孔隙，并在水平与垂直方向均具有较好渗透力。
土工合成材料讲稿
利用土工合成材料的过滤性能，可以过滤掉土壤中的杂质和有害物 质，保护土壤环境，促进作物生长。
农业防灾减灾措施
防洪堤坝
在洪水易发地区，利用土工合成材料构建防洪堤坝，可以有效防止洪水对农田的冲刷和 淹没，保护农田安全。
防护林带
在农田周边地区种植防护林带，并采用土工合成材料进行土壤加固和保护，可以防止风 沙对农田的侵害，减流湖泊生态修复
采用土工合成材料构建生态护岸、生态浮岛等，为水生生物提供栖息环境，促进河流湖泊 生态系统的恢复与重建。
土壤污染治理
利用土工布、土工膜等材料对污染土壤进行隔离和覆盖，防止污染物扩散和迁移，同时采 取相应的治理措施降低土壤污染程度。
矿山环境治理
采用土工合成材料对矿山废弃地进行覆盖和绿化，改善矿山环境质量，促进生态恢复。
施工质量控制困难
土工合成材料的施工质量控制较为困难，容易受到环境、施工工艺 等因素的影响，导致工程质量不稳定。
未来发展趋势预测
高性能材料研发
未来土工合成材料将更加注重高性能材料的研发，如高强 度、高耐久性、环保型材料等，以满足复杂工程条件下的 需求。
多功能材料开发
未来土工合成材料将更加注重多功能材料的开发，如具有 自修复、自适应、自感知等功能的材料，以适应复杂多变 的工程环境。
04
土工合成材料在环境工程中 的应用
垃圾填埋场建设
底部防渗层
01
采用高密度聚乙烯（HDPE）膜作为垃圾填埋场底部防渗层，有
效防止垃圾渗滤液对地下水的污染。
边坡防护
02
利用土工格栅、土工网等加筋材料对填埋场边坡进行加固，提
高边坡稳定性，防止滑坡、崩塌等灾害的发生。
渗滤液收集与处理
03
第八章 土工合成材
定义
机械粘合是以不同的机械 工具将纤维加固。有针刺 法和水刺法两种。
1.热粘合 热粘合是将纤维在传送带上成网，让其通过两个反向转 动的热辊之间热压，纤维网受热达到一定温度后，部分纤 维软化熔融，互相粘连，冷却后得到固化。这种方法主要 用于生产薄型土工织物，厚度一般为0.5~1.0mm。由于纤 维是随机分布的，织物中形成无数大小不一的开孔，又无 经纬丝之分，故其强度的各向异性不明显。 纺粘合是热粘合中的一种，是将聚合物原材料经过熔融、 挤压、纺丝成网、纤维加固后形成的产品。该种织物厚度 薄而强度高，渗透性大。由于制造流程短，产品质量好， 品种规格多，成本低，用途广，近年来在我国发展较快。
热粘合
化学粘合
机械粘合
定义
热粘合是将纤维在传送带上成网 让其通过两个反向转动的热辊之 间热压，纤维网受热达到一定温 度后，部分纤维软化熔融，互相 粘连，冷却后得到固化。
定义
化学粘合是通过不同工艺将粘合剂 均匀地施加到纤维网中，待粘合剂 固化，纤维之间便互相粘连，使网 得以加固，厚度可达3mm。常用的 粘合剂有聚烯酯、聚酯乙烯等。
（二）土工网
土工网是由聚合物经挤塑成网，或由粗股条编织， 或由合成树脂压制成的具有较大孔眼和一定刚度的平 面结构网状材料。如下图。
（二）土工网 土工网是由聚合物经挤塑成网，或由粗股条编织， 或由合成树脂压制成的具有较大孔眼和一定刚度 的平面结构网状材料。网孔尺寸、形状、厚度和 制造方法不同，其性能也有很大差异。一般而言， 土工网的抗拉强度都较低，延伸率较高。这类产 品常用于坡面、防护、植草、软基加固垫层或用 于制造复合排水材料。
软式排水管
软式排水管又称为渗水软管， 是由高强度钢丝圈作为支撑 体及具有反滤、透水、保护 作用的管壁包裹材料两部分 构成的 。
土工合成材料的工程特性及主要功能
土工合成材料的工程特性及主要功能摘要：本文从土工合成材料发展和分类出发，详细阐述了土工合成材料的工程特性，结合土工合成材料在实际工程建设中的应用，总结了土工合成材料的主要六大功能，发现土工合成材料在实际工程建设中应用前景广泛。
关键词：土工合成材料；工程特性；主要功能1.土工合成材料的发展土工合成材料是以天然或人工合成的高分子聚合物为原料制成的一种新型工程材料。
最早应用于美国，是通过在棉机织物上铺上沥青，应用于公路建设中。
20世纪60年代初，一些国家开始采用有纺土工织物作为防渗材料，但是，由于有纺土工织物的强度具有较强的方向性，同时造价成本过高，没有得到广泛应用[1]。
60年代末期，欧洲出现了机织土工织物，主要应用于护岸防冲刷等工程中，这极大的促进了土工合成材料的应用和发展。
80年代初，随着科学技术的进步以及应用市场的大量需求，土工合成材料发展迅速，在今后的工程建设中广泛应用，并逐步向全球范围内普及。
相比于发达国家，我国土工合成材料的生产与应用起步较晚，从20世纪80年代开始，经过30余年发展，我国土工合成材料已经完全具备独立研发和制造工艺[2]。
随着我国土工合成材料生产工艺的突飞猛进，生产成本的迅速下降，土工合成材料凭借其优良特性，开始在岩土工程领域广泛应用。
常见的土工合成材料主要有：土工织物（无纺土工织物、有纺土工织物）、土工膜、土工格栅、土工网、复合型土工合成材料等。
2.土工合成材料的工程特性土工合成材料的工程特性包括物理特性、力学特性、水力学特性以及耐久性等内容[3]。
2.1土工合成材料的物理特性土工合成材料的物理特性指标主要有：单位面积质量、厚度、空隙率等。
其中单位面积质量为单位面积土工合成材料具有的质量，它反映了材料多方面的性能。
单位面积质量反映了土工合成材料的均匀程度、抗拉强度、顶破强度等力学性能和孔隙率、渗透系数等水学性能，通常以表示，是土工合成材料物理性质的重要指标之一。
土工膜和土工织物单位面积的质量受原材料密度的影响，同时受厚度、外加剂和含水量的影响。
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土工合成材料的发展历史
古代的原始土工材料
据科学考证，数千年前人类就利用芦苇加筋黏土建造房屋，三千多年前，英国人曾在沼泽地带用木排修筑道路。
在我国，远在新石器时代，我们的祖先就利用茅草作为土的加筋材料。
在河南发现的仰韶遗址距今五六千年，有很多简陋住室的墙壁和屋顶就是利用草泥修筑的。
公元前2000～公元前1000年，古巴比伦人曾把织物纤维掺在土中建造庙宇。
实际上，在独立于人类文明的自然界，许多鸟类和昆虫都本能地利用非土材料(草与树枝等)加固泥土巢穴；树木依靠庞大的根系吸收养料水分，同时也加固了赖以立足的地基。
这些都是"以非土材料加固土体"原理的自然体现。
现代的土工合成材料
在现代，1930年美国北卡罗来纳州首次使用棉纺织品加固路基土。
在第二次世界大战中，英国曾在路基上铺放梢辊和帆布，供装甲车通行；荷兰曾大量利用柳枝、梢料加固堤坝，防止冲刷。
合成纤维自1913年在欧洲问世以来，至今已有百年历史，但合成材料用于土木工程却开始于20世纪50年代末。
当时，美国人R．J．Barrett在佛罗里达州首次将透水性合成纤维有纺织物铺设在护岸混凝土块下，作为防冲刷保护层，因而他被称为"土工织物之父"。
1957年荷兰首先用尼龙纤维有纺织物制成充砂管袋，应用于护岸防冲和堵口工程。
1958年在美国佛罗里达州大西洋海岸防护工程中，聚氯乙烯有纺织物被置于土与石块之间，作为海岸防冲刷。
经过27年的观察，其状态仍然良好。
1985年，前联邦德国采用合成纤维制成有纺织物砂袋，修筑防波堤。
1959年在日本伊势湾海岸，海堤和围堤因台风遭到灾难性破坏。
在海岸修复工程中，利用有纺织物砂袋和合成材料片成功地修建了堤防；在修复围堤沉排工程时，采用维纶编织布成功代替沉排。
5年后检查，未发现腐蚀现象，强度几乎没有下降。
1960年荷兰采用尼龙有纺织物充砂垫层，防止海岸淘刷。
1962年美国杜邦公司开发纺粘法长纤维无纺布，以取代短纤维无纺布。
从此，欧洲各国都以纺粘法生产长纤维无纺布，并用做道路、护岸等工程中的滤层和导水体。
1963年土工织物正式应用于日本国营铁道的土建工程中。
1967年在海岸保护工程中，丹麦采用透水或不透水砂袋，用水力充填法冲人海滩砂形成充砂长管袋，保护海岸。
1968年法国将针刺无纺布应用于道路工程，英国将热粘无纺布应用于道路工程，前联邦德国将短纤维制成的针刺无纺布用于渠道岸边防护工程。
一般认为，有纺织物于20世纪50年代首先在美国应用，无纺织物的应用在70年代始于欧洲。
20世纪70年代以后，在国外，织物的应用从马路、铁路路基工程逐步扩展到挡土墙、土坝等大型永久性工程。
"土工织物"(geotextile)和"土工膜"(geomembrane)是1977年J．P．Giroud 与J．Perfetti首先提出来的。
他们把透水的土工合成材料称为"土工织物"，不透水的称为"土工膜"。
这两个名词被使用了许多年。
近十几年来大量的以合成聚合物为原料的其他类型的土工合成材料的纷纷问世，已经超出了"织物"和"膜"的范畴。
进入80年代，土工格栅、土工网和土工垫等新材料相继出现，进一步加快了土工合成材料应用技术的发展。
1983年J．E．Fluet建议使用"土工合成材料"(geosynthetics)一词来概括各种类型的材料，现在这一名词已被人们所接受。
与世界先进国家相比，土工合成材料在我国的应用大约晚了十几年。
在20世纪60年代中期，我国才开始将塑料薄膜用于渠道防渗工程。
在70年代，一种由扁丝纤维织成的编织物，即
通常所称的"化纤包装袋"，开始应用于河道与涵闸工程，其原料多采用聚丙烯和聚乙烯，具有易于生产、成本低、强度较高和延伸率小等优点。
20世纪80年代开始，从国外引进的许多生产设备和技术资料推动了我国土工织物的生产与应用。
1981年，铁路部门采用美国、英国的无纺织物，首先用于路基层，解决了路基翻浆冒泥问题。
1983年，江苏省引进日本化纤模袋，用于航道护坡工程；河北省采用法国罗纳普朗克公司生产的针刺无纺布，用于水库过滤层。
20世纪90年代以来，土工织物由于所具有的功能和特性以及在实际工程中的应用效果，引起全国各行各业的极大兴趣。
尤其是在水利水电建设部门应用范围广、应用量大，如三峡水电工程、秦山核电站、京杭大运河等工程。
随着理论研究的深入，测试技术、设计水平、施工方法的不断提高，土工织物开始在一些大型工程、重点工程中得以应用，并获得了较好的经济效益和社会效益。
我国土工织物的生产和应用发展速度很快，特别是针刺无纺织物的生产和使用量近年来大幅度增长，但尚缺少统一的测试方法和完善的设计理论。
当前，除引进外资和国外先进技术外，更重要的是应密切结合我国的土质条件和工程特点，努力开发、研制我国急需的产品，不断提高质量性能和降低成本，总结设计、施工经验，大力推广应用，同时加强织物作用机理方面的研究，逐步统一技术标准，使这一新的建筑材料在工程建设中发挥更大的作用。